KR20170058995A

KR20170058995A - 열 전도성 물품의 생산을 위한 프로세스

Info

Publication number: KR20170058995A
Application number: KR1020177010899A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 차글; 홀게르 초우들리크; 미하엘 벤트란트; 마이클 아담 홀
Original assignee: 더블유.엘.고어 앤드 어소시에이츠 게엠베하; 더블유.엘. 고어 앤드 어소시에이트스, 인코포레이티드
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2017-05-29
Also published as: CA2962391A1; KR101963986B1; EP3197977A1; CN106715636A; CA2962391C; AU2014407121B2; JP6538833B2; WO2016048335A1; AU2014407121A1; JP2017531918A; US10113097B2; US20170292053A1

Abstract

본 발명은, 열 전도성 물품을 생산하기 위한 프로세스(process)로서, 열적으로 이방성인 시트(sheet)로 주름을 잡는 단계로서, 상기 시트는 일 평면에서의 열 전도성이 상기 평면에 대해 수직한 방향으로의 열 전도성보다 높은 것인 단계, 그리고 주름잡힌 구조를 치밀화(compact)하는 단계를 포함하는 프로세스; 상기 프로세스에 의해 획득 가능한 물품; 디바이스의 생산을 위한 상기 열 전도성 물품의 이용; 이러한 디바이스에 관한 것이다.

Description

열 전도성 물품의 생산을 위한 프로세스{PROCESS FOR THE PRODUCTION OF A THERMALLY CONDUCTIVE ARTICLE}

본 발명은 열 전도성 물품의 생산을 위한 프로세스, 이러한 프로세스에 의해 획득 가능한 열 전도성 물품, 열 전도를 위한 디바이스의 생산을 위한 상기 물품의 이용, 그리고 상기 물품을 포함하는 전술한 디바이스에 관한 것이다.

폴리테트라플루오로에틸렌(PTEF)과 같은 폴리머는 낮은 고유 열 전도도를 나타내는 것으로 알려져 있으며, 치밀화된 등방성 PTFE의 열 전도도는 섭씨 영하 140 도 내지 적어도 섭씨 232 도의 넓은 온도 범위에서 0.35 W/mK보다 작다(Price, D. M. 및 Jarratt, M. (2002)의 "Thermal conductivity of PTFE and PTFE composites", Thermochimica Acta 392-393, p. 231-236 또는 Blumm, J.; Lindemann, A.; Meyer, M. 및 Strasser, C. (2010)의 "Characterization of PTFE Using Advanced Thermal Analysis Techniques", International Journal of Thermophysics 31, 1919-1927 참고).

확장된 다공성 PTFE의 열 전도도는 일반적으로 공기의 존재로 인해 더욱 낮다고 알려져 있으며, 보통 공극률의 함수로서 치밀한 재료에 대한 값의 겨우 십 분의 1 내지 약 1/2이다. 따라서, 이러한 재료는 단열재로서 용례를 갖는다(예컨대, 미국 특허 제3,953,566호, 컬럼 5, 라인 64 내지 컬럼 6, 라인 2 참고).

예컨대 집적 회로(“IC”)로부터의 열 전달을 위한 용례에 있어서, 플루오로폴리머의 유리한 물성을 이용하는 것은 바람직하지만, 동시에 열 전도가 요구된다. 열 전도성 입자, 예를 들어 금속 입자, 산화물 또는 질화물 및 PCM 또는 엘라스토머를 통합함으로써 PTFE와 같은 플루오로폴리머가 열 전도성을 갖도록 하는 것이 알려져 있다. 이러한 열 전도성 PTFE 복합재는 예컨대 미국 특허 제5,945,217호 및 미국 특허 제5,738,936호에 개시되어 있다.

그러나, 이렇게 충전된 플루오로폴리머를 사용하는 것은 여러 가지 단점을 갖는데, 구체적으로 보통 유전 특성의 변화 또는 극한의 화학적 환경에 대한 안정성과 같은 PTFE의 뛰어난 물성의 손실이 나타난다.

또한, 예컨대 EP 2 551 324로부터, PTFE와 같은 플루오로폴리머의 고유 열 전도도는 특정 배향 프로세스에 의해 향상될 수 있어, 시트의 평면 내에서 적어도 하나의 방향 또는 심지어 2개의 방향으로 매우 향상된 열 전도도를 나타내는, 폴리머로 된 시트를 얻을 수 있게 된다는 것이 알려져 있다. 그러나, 상기 시트의 상기 평면에 대해 수직한 방향으로의 열 전도도는 상기 배향으로 인해 여전히 작은 수준으로 유지되거나 심지어는 약간 감소되기도 하며, 이에 따라 전술한 배향 시트는 고도로 이방성인 열 전도도를 나타낸다.

따라서, 본 발명의 일 목적은, 플루오로폴리머 시트와 같이 열적으로 이방성인 시트의, 상기 시트에 대해 수직한 방향으로의 열 전도도를 향상시키는 것을 가능하게 하는 프로세스로서, 신규의 개선된 열 전도성 물품 및 디바이스를 생산할 수 있도록 하는 것인 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명은, 시트의 주름을 형성함으로써 그리고 형성된 주름잡힌 구조를 치밀화함으로써, 시트에 대해 수직한 방향으로의 시트의 열 전도도가 크게 향상될 수 있다는 발견에 기초한다.

따라서, 본 발명은, 열 전도성 물품을 생산하기 위한 프로세스로서, 열적으로 이방성인 시트로 주름을 잡는 단계로서, 상기 시트는 일 평면에서의 열 전도도가 상기 평면에 대해 수직한 방향으로의 열 전도도보다 높은 것인 단계, 및 주름잡힌 시트를 치밀화(compact)하는 단계를 포함하는 프로세스를 제공한다.

놀랍게도, 시트로 주름을 형성함으로써 그리고 주름잡힌 상기 시트를 치밀화함으로써, 상기 주름에 대해 수직한 방향으로의 주름잡힌 시트의 열 전도도가 동일한 시트의 단순한 스택(stack)의, 상기 스택에 대해 수직한 방향으로의 열 전도도에 비해 크게 향상되는 것이 발견되었다.

따라서, 상기 시트의 상기 평면에 대해 수직한 방향으로 열 전도도가 크게 향상된 시트를 제공하는 것이 가능하다.

또한, 이러한 주름잡힌 구조를 이용하여 신규의 열 전도성 디바이스를 구성하는 것이 가능하다. 예를 들면, 추가적인 강제 대류 열 손실 및 증가된 표면을 형성하는, 냉각 리본과 같은 냉각 디바이스가 제공될 수 있다.

용어 “시트”는 2차원에서의 확장이 다른 나머지 차원에서의 확장에 비해 큰 것인 모든 물품, 예컨대 보통 시트, 박막, 막, 또는 테이프를 의미하는 물품을 나타내려는 의도이다. 따라서, 시트는 2개의 대향하는 표면을 가지며, 이들 표면은 시트의 대향하는 2개의 에지에 비해 큰 표면적을 갖는다[“무단(endless)” 시트의 경우]. 일 실시예에 있어서, 상기 시트는 적어도 하나의 층을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 상기 시트는, 한 가지 시트 재료로 제조되거나 또는 다양한 시트 재료로 제조되는 여러 개의 층을 포함한다.

“열적으로 이방성”이란, 시트가 적어도 2개의 방향에서 상이한 고유 열 전도도를 나타내는 것을 의미하며, 즉 상기 시트가 일 방향으로는 상대적으로 높은 고유 열 전도도를 나타내며, 다른 방향으로는 상대적으로 낮은 고유 열 전도도를 나타낸다는 것을 의미한다. 본 발명의 프로세스에서 사용되는, 열적으로 이방성인 시트에 있어서, 일 평면에서의 열 전도도는 상기 평면에 대해 수직한 방향으로의 열 전도도보다 크다.

주름은 시트의 3개의 나란한 만곡부(제1 만곡부, 중간 만곡부 및 최종 만곡부)에 의해 생성 및 형성되며, 각각의 주름은 이웃한 주름(들)과 공통인 2개의 만곡부를 갖는다.

따라서, 형성된 주름은 특정 높이를 갖게 되는데, 이 특정 높이는 각각의 만곡부의 상부로부터 측정된, 중간 만곡부와, 근접하게 연속하는 만곡부(제1 만곡부 또는 최종 만곡부) 사이의 거리로 정의된다.

치밀화는, 주름의 형성으로 인해 서로 대면하게 된 상기 시트의 표면들이 적어도 부분적으로 서로 접촉하게 되도록 하기 위해 행해진다.

치밀화는, 상기 주름에 대해 수직한 방향으로 상기 주름에 대해 압력을 인가함으로써 행해질 수 있다.

일 실시예에 있어서, 치밀화된 주름잡힌 구조는 부분적으로 또는 전체적으로 안정화된다. 이는, 주름들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로에 대해 상대적인 위치에서 고정된다는 것을 의미한다.

이러한 방식으로, 주름잡히게 형성된 구조는 치밀화 이후에 획득된 바대로(또는 거의 획득된 바대로)의 형태로 보존된다.

일례에 있어서, 주름잡힌 상기 구조의 안정화는, 주름잡힌 구조의 표면들(주름의 만곡부에 의해 형성됨) 또는 에지들(시트의 에지에 의해 형성됨) 중 하나 이상에 박막을 접합시킴으로써 행해진다. 상기 박막의 접합은, 예컨대 열 접합에 의해, 즉 열 및 압력의 인가에 의해 행해질 수 있다.

다른 예에 있어서, 상기 주름잡힌 구조의 일 표면, 즉 상위 표면 또는 하위 표면 혹은 양 표면 모두에 박막이 접합된다.

본 발명의 프로세스의 추가적인 실시예에 있어서, 열적으로 이방성인 시트는 열적 인터페이즈 왁스(thermally interphase wax)로 처리된다.

열적 인터페이즈 왁스를 이용한 시트의 처리는, 상기 주름에 대해 수직한 방향에서의, 주름잡힌 시트의 열 전도도를 더욱 향상시킨다.

열적 인터페이즈 왁스로서, 상업적으로 입수 가능한 상 변화 왁스(phase change wax)가 사용될 수 있으며, 예컨대 0.47 W/mK의 열 전도도를 갖는 Crayotherm^® KU-CR(독일 소재의 KUNZE Folien GmbH로부터 상업적으로 입수 가능함) 등이 사용될 수 있다.

본 발명의 프로세스에 있어서, 열적으로 이방성인 시트는, 앞서 한정한 바와 같은 특정 높이를 갖는 주름이 형성되도록 주름잡히게 된다.

일례에 있어서, 시트 두께에 대한 주름 높이는 1000:1 내지 2:1, 바람직하게는 500:1 내지 3:1, 그리고 가장 바람직하게는 100:1 내지 5:1이다.

또한, 일 실시예에 있어서, 상기 시트는, 결과적으로 주름잡힌 구조에 다양한 높이를 갖는 주름이 존재하게 되도록 주름잡히게 된다. 이때, 박막 두께와 관련하여 앞서 제시된 주름 높이는 평균 주름 높이이다.

주름잡히지 않은 시트의 시트 두께는 바람직하게는 1 내지 500 마이크로미터이며, 더욱 바람직하게는 2 내지 250 마이크로미터이고, 가장 바람직하게는 5 내지 100 마이크로미터이다.

일례에 있어서, 주름의 높이는 10 내지 10000 마이크로미터이며, 더욱 바람직하게는 20 내지 5000 마이크로미터이고, 가장 바람직하게는 40 내지 2500 마이크로미터이다.

시트의 주름 형성은, 바람직하게는 최대 열 전도도를 나타내는 방향에 대해 수직 방향으로 행해진다.

이는, 예컨대, “무단” 시트가 사용되는 경우, 상기 시트가 기계 방향(machine direction)으로 최대 열 전도도를 갖고 상기 시트는 상기 기계 방향에 대해 수직 방향으로 주름잡히게 된다는 것을 의미한다.

시트의 주름 형성은, 시트가 “주름 형성용 롤”로 지칭되는 2개의 대향 회전식 치형 휠을 통과하도록 하는 방식으로 행해질 수 있다. 이러한 회전 휠의 치형부는, 시트의 파괴가 전혀 발생하지 않도록, 특히 치형부가 과도하게 날카로운 에지를 갖지 않도록 구성된다. 예를 들면, 상기 치형부는 사인곡선형 형태를 나타낼 수 있다.

상기 치형부의 높이는 주름 형성용 롤을 통과할 때 형성되는 주름의 높이를 결정한다.

상기 주름을 압축시킴으로써, 상기 주름에 대해 수직한 방향으로, 주름잡힌 구조의 열 전도도가 더욱 향상될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 열적으로 이방성인 시트는, 열적으로 이방성인 폴리머 층을 포함하거나, 또는 이러한 폴리머 층으로 이루어진다.

추가적인 실시예에 있어서, 열적으로 이방성인 폴리머 층은, 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌 또는 플루오로폴리머를 포함하거나, 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌 또는 플루오로폴리머로 이루어진다.

플루오로폴리머는, PTFE(polytetrafluoroethylene), 변성 PTFE, 플루오로써모플라스틱(fluorothermoplastic), 플루오로엘라스토머(fluoroelastomer), 또는 이들의 임의의 조합을 포함하거나, 또는 PTFE(polytetrafluoroethylene), 변성 PTFE, 플루오로써모플라스틱, 플루오로엘라스토머, 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진다.

플루오로폴리머는 부분적으로 불화될 수도 있고 완전히 불화될 수도 있으며, 즉 과불화될 수도 있다.

일 실시예에 있어서, 플루오로폴리머는, PTFE(polytetrafluoroethylene), 변성 PTFE, 플루오로써모플라스틱, 플루오로엘라스토머, 또는 이들 재료의 임의의 조합을 포함하거나, 또는 PTFE(polytetrafluoroethylene), 변성 PTFE, 플루오로써모플라스틱, 플루오로엘라스토머, 또는 이들 재료의 임의의 조합으로 이루어진다. 본원에서 사용될 때, 용어 “변성 PTFE”는 테트라플루오로에틸렌 코폴리머의 일 유형을 지칭하려는 의도이며, 여기서는 추가로 과불화된 테트라플루오로에틸렌 모노머 유닛에 추가하여, 불화된 또는 비불화된 코-모노머 유닛(co-monomer unit)이 예컨대 0.005 내지 15 몰%의 범위로 존재한다.

추가적인 실시예에 있어서, 기질 플루오로폴리머는, PTFE, 변성 PTFE, 플루오로써모플라스틱, 플루오로엘라스토머, 또는 이들 재료의 임의의 조합을 포함하거나, 또는 PTFE, 변성 PTFE, 플루오로써모플라스틱, 플루오로엘라스토머, 또는 이들 재료의 임의의 조합으로 이루어진다.

또 다른 실시예에 있어서, 플루오로폴리머는 PTFE 및/또는 변성 PTFE를 포함하거나 PTFE 및/또는 변성 PTFE로 이루어지며, 또 다른 실시예에서는, 플루오로폴리머가 PTFE를 포함하거나 PTFE로 이루어진다.

구체적인 실시예에 있어서, EP 2 551 324에서 개시되는 바와 같이, 본 발명의 프로세스에서는 시트가 사용된다.

본 발명의 프로세스에서 폴리머 시트가 사용되는 경우에 있어서, 상기 폴리머 시트 또는 상기 시트의 적어도 폴리머 층(들)은 바람직하게는 순수한 폴리머로 이루어지며, 즉 상기 폴리머에는 어떠한 추가적인 화합물 또는 충전재가 추가되어 있지 않다. 이러한 실시예에 있어서, 이러한 첨가재의 존재로 인한 바람직하지 않은 물 흡수가 방지된다. 이는 전기적 구성요소에서의 용례에 있어서 특히 중요하다.

일 실시예에 있어서, 시트의 고유 열 전도도는, 최대의 고유 열 전도도의 방향으로, 0.5 W/mK 이상이며, 추가적인 실시예에서는 0.7 W/mK 이상이고, 또 다른 실시예에서는 1 W/mK 이상이며, 다른 추가적인 실시예에서는 5 W/mK 이상이고, 또 다른 추가적인 실시예에서는 8 W/mK 이상이다.

본원에 포함된 바와 같은, 열 전도도 및 열 확산성에 대한 모든 기재뿐만 아니라 이들의 임의의 비율은, 달리 언급되어 있지 않으면 섭씨 40 도의 측정 온도와 관련된다.

보통, 최대의 고유 열 전도도의 방향으로의 고유 열 전도도는 40 W/mK를 초과하지 않는다.

물론, 가능한 큰 고유 열 전도도가 바람직하지만, 특정 용례에 있어서는 이보다 낮은 전도도도 허용될 수 있으며, 예컨대 전달되는 열량이 보다 작은 경우에 그러하다.

본 발명의 프로세스의 열적으로 이방성인 시트는 적어도 2개의 방향에서 상이한 고유 열 전도도를 나타내며, 이때 고유 열 전도도의 이방성 비율은, 최소의 고유 열 전도도의 방향으로의 고유 열 전도도로, 최대의 고유 열 전도도의 방향으로의 고유 열 전도도를 나눈 비율로서 정의된다.

보통, 상기 시트는 평면에 대해 수직한 방향으로 최소의 고유 열 전도도를 나타내며, 상기 평면의 방향으로 시트의 최대의 고유 열 전도도를 나타낸다.

본 발명의 프로세스에 있어서, 상기 평면 내에서 상이한 방향으로 상이한 고유 열 전도도를 나타내는 시트가 사용될 수 있다. 예를 들면, 이러한 시트는 플루오로폴리머 시트의 단축 배향(mono-axial orientation)에 의해 달성된다(EP 2 551 324 참고).

일 실시예에 있어서, 상기 시트는 주름의 방향에 대해 수직한, 최대의 고유 열 전도도의 방향을 가지며, 예컨대, “무단 시트”가 사용되는 경우, 바람직하게는 최대의 고유 열 전도도의 방향은 기계 방향(“무단” 방향)이 될 것이다.

일 실시예에 있어서, 상기 시트의 고유 열 전도도의 이방성 비율은 5 이상이며, 다른 실시예에서는 10 이상이고, 또 다른 실시예에서는 15 이상이며, 다른 추가적인 실시예에서는 20 이상이고, 또 다른 추가적인 실시예에서는 25 이상이며, 추가적인 다른 실시예에서는 30 이상이고, 추가적인 또 다른 실시예에서는 40 이상이다.

실제로, 상기 비율은 보통 100을 초과하지 않는다.

플루오로폴리머를 포함하거나 플루오로폴리머로 이루어지고 열적으로 이방성인 시트가 사용되는 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 시트는, 시트의 평면에 대해 평행한 일 방향으로 플루오로폴리머 시트를 배향함으로써(단축 배향), 또는 시트의 평면에 대해 평행하며 서로에 대해 수직인 2개의 방향으로(2축 배향) 플루오로폴리머 시트를 배향함으로써 획득될 수 있다.

고유 열 전도도는 배향 방향(들)으로 향상될 것이며, 이에 따라 상기 시트는 EP 2 551 324에 설명된 바와 같이, 평면 내에서의 일 방향을 따라 고유 열 전도도의 증가를 나타내거나(단축 배향) 또는 평면 내의 모든 방향을 따라 고유 열 전도도의 증가를 나타낸다(2축 배향).

상기 시트의 플루오로폴리머는 치밀한 재료일 수도 있으며, 즉 비-다공성 재료일 수도 있고, 다공성 재료일 수도 있다.

본원에서 사용될 때, 용어 “다공성”은 내부 구조 전반에 걸쳐 보이드(void)를 갖는 재료를 지칭하며, 이러한 보이드는, 일 표면으로부터 타 표면으로 상호 연결되어 연속적인 공기 경로를 형성할 수 있다.

이방성 플루오로폴리머는 또한 미소공성(microporous)일 수도 있다. 이는, 상기 보이드가 매우 작고 보통 “미소공”으로 불린다는 것을 의미한다.

미소공성 플루오로폴리머에서의 보이드의 보편적인 기공 크기는, 평균 유동 기공 크기 측정에서 측정되는 바와 같이 0.01 내지 15 마이크로미터의 범위이다.

미소공성 플루오로폴리머는 예컨대 확장된 PTFE(ePTFE, EPTFE)이다.

다공성 플루오로폴리머의 마이크로구조는 노드(node), 소섬유(fibril)를 포함할 수 있고, 단지 소섬유만, 단지 소섬유 스트랜드(fibril strand) 또는 소섬유 번들(fibril bundle)만 포함할 수도 있으며, 또는 소섬유에 의해 상호 연결되는 신장된 노드를 포함할 수 있다.

본 발명의 프로세스의 일 실시예에 있어서, 열적으로 이방성인 시트는 하나가 넘는 층으로 이루어지며, 예를 들어 금속 박막과 같은 열적으로 등방성인 전도성 재료로 된 층을 포함한다.

상기 프로세스에서 사용되는 시트는 이에 따라 다층 복합 시트일 수 있으며, 예를 들어 플루오로폴리머와 같이 열적으로 이방성인 재료로 된 층들 사이에 끼워진, FEP로 된 상위 층 및 하위 층, 및 금속과 같이 열적으로 등방성인 재료로 된 이웃 층을 포함한다.

본 발명은 또한 앞서 설명한 실시예 중 임의의 실시예에서의 본 발명의 프로세스에 의해 획득 가능한 물품에 관한 것이다.

본 발명은 또한 열 전도성 물품으로서, 상기 물품은 1 내지 500 마이크로미터의 두께를 갖는 시트를 포함하며, 상기 물품은 평면에 대해 수직 방향으로 1 W/mK 이상의 열 전도도를 나타내고, 상기 물품의 바람직한 실시예는 앞서 설명한 실시예 중 임의의 실시예에서 본 발명의 프로세스에 관해 설명된 바와 같은 실시예인 것인 물품에 관한 것이다.

본 발명은 또한 히트 소스(heat source)로부터 히트 싱크(heat sink)로의 열 전도를 위한 디바이스로서, 앞서 설명한 실시예 중 임의의 실시예에서의 본 발명의 프로세스에 의해 형성되는 물품을 포함하는 디바이스에 관한 것이며, 일 디바이스의 생산을 위한 상기 물품의 용도에 관한 것이다.

용어 “히트 소스” 및 “히트 싱크”는, 각각 열을 방출하고 열을 흡수하는 임의의 물품을 지칭하려는 의도이다.

본 발명의 프로세스에 의해 획득 가능한 물품에 추가하여, 본 발명의 디바이스는 추가적인 구성요소를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 이러한 추가적인 구성요소는 플루오로폴리머이다. 따라서, 상기 디바이스는 가혹한 화학적 환경에 대해, 높은 온도에 대해, 또는 자외선 광에 대해 안정적이며, 높은 유전 강도, 전기 절연 특성, 가요성, 물 및 다른 액체에 대한 반발성, 양호한 유전 특성을 가지며, 넓은 온도 범위에 대해 안정적인 전도도 및 양호한 시효 거동을 나타낸다.

이러한 디바이스는 당업계에서의 물품에 대해 알려져 있는 임의의 형태 또는 형상일 수 있으며, 특히 상기 물품은 라미네이트(laminate), 열적 인터페이스 복합물, 전기 절연형 히트 스프레더(heat spreader) 또는 히트 파이프(heat pipe)일 수 있다.

첨부 도면은 본 개시내용에 대한 추가적인 이해를 제공하려는 의도로 포함된 것이며, 본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성하고, 실시예를 제시하며, 상세한 설명과 함께 본 개시내용의 원리를 해설하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 프로세스에 대한 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 프로세스에서의 주름 형성 단계 이전의, 시트의 2가지 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 프로세스에서의 주름 형성 단계의 실시예에 있어서의, 대향 회전하는 주름 형성용 롤(도 3a), 그리고 주름 형성용 롤의 치형부 구성의 확대도(도 3b)를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 프로세스에서의 주름 형성 구조를 치밀화하는 단계에 대한 일 실시예의 개략도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 프로세스에 의해 획득 가능한, 냉각 리본(cooling ribbon)의 형태인 열 전도성 물품의 도면이다.
도 5b는 도 5a에서의 냉각 리본의 주름 형성 구조에 대한 확대도이다.
도 6은 본 발명에 따른 프로세스에 의해 획득 가능한, 부분 주름 형성 구조의 형태인 열 전도성 물품의 도면이다.
도 7은 예 1에 따라 형성되어 450 마이크로미터의 주름 높이를 갖는, 주름잡힌 PTFE 박막(두께 10 마이크로미터)의 SEM 사진이다.
도 8은 예 2에 따라 형성되어 450 마이크로미터의 주름 높이를 갖는, 주름잡힌 PTFE 박막(두께 40 마이크로미터)의 SEM 사진이다.
도 9는 예 3에서 설명된 바와 같이 형성되는, 두께가 40 마이크로미터인 PTFE 박막의 스택(stack)에 대한 SEM 사진으로서, 총 스택 높이가 450 마이크로미터인 것인 PTFE 박막의 스택에 대한 SEM 사진이다.
도 10은 예 4에 따라 형성된, 주름잡힌 폴리에틸렌 박막의 SEM 사진이다.

당업자는, 의도된 기능을 행하도록 구성된 임의의 개수의 장치 및 방법에 의해 본 개시내용의 다양한 양태가 구현될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 또한, 본원에서 참고하는 첨부 도면은 반드시 축척에 따라 도시된 것이 아니며, 오히려 본 개시내용의 다양한 양태를 제시하기 위해 과장될 수 있고 이와 관련하여 첨부 도면은 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 주의해야 한다.

본 발명의 프로세스에 대한 일 실시예의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 있어서, “무단(endless)” 시트(10)가 시트의 평면에 대해 수직인 도면으로 도시되어 있다. 시트(10)는 제1 표면(11) 및 제2 표면(12) 그리고 2개의 대향하는 에지(13)를 포함한다. 미처리 시트(10)는 제1 주름 형성 단계(도 1에서의 섹션 A)를 거치게 되며, 여기에서는 주름(18)이 형성되도록 시트의 기계 방향에 대해 수직 방향으로 만곡부가 형성된다. 이러한 단계 다음에는 제2의 치밀화 단계(도 1의 섹션 B)가 이어지며, 여기에서는 형성된 주름(18)들이 서로 접촉하게 된다. 이는, 주름잡히고 치밀화된 구조(20)로 귀결된다. 후속하는 선택적인 접합 단계에 있어서, 상기 구조(20)는, 주름(18)들의 표면들을 접합시킴으로써 도 1의 섹션 C에 도시된 바와 같이 고정될 수 있다. 주름잡힌 구조의 치밀화 및 접합은 하나의 단계에서 행해질 수도 있다.

일 실시예에 있어서 주름잡히고 치밀화된 구조(20)를 안정화시키기 위해, 상기 구조(20)의 표면들 중 하나 이상의 표면에 안정화용 박막(24)이 부착될 수 있다. 도 1에서의 섹션 D에서는, 상기 구조(20)의 상위 표면(19)에 안정화용 박막(24)이 접합된다.

도 1b는 도 1a에 도시된 바와 같은 단계들에서의 사시도이다.

시트(10)는 시트 재료로 된 적어도 하나의 층으로 제조될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 시트(10)는 시트 재료로 된 여러 개의 층을 포함한다.

여러 개의 층을 이용한 시트의 사용은, 주름잡히고 치밀화된 구조(20)를 안정화시키기 위한 다른 형태이다. 다층 시트에 의해 형성된 주름은 자립성을 갖고 자체의 안정성을 나타낸다.

도 2는 시트(10)의 실시예를 도시한 것이다.

도 2a에 있어서, 시트(10)는 상하로 놓이는 층의 스택에 배치되는, 동일한 재료로 된 여러 개의 층(14), 예컨대 열적으로 이방성인 확장된 PTFE로 된 여러 개의 층을 포함한다.

도 2b에 있어서, 시트(10)는, 예컨대 구리, 알루미늄, 또는 은으로 제조된 금속 박막(15)에 부착되며 열적으로 이방성인 확장된 PTFE로 된 하나의 층(14)을 포함한다. 금속 박막(15)은 FEP로 된 얇은 접착 층을 이용하여 또는 기화에 의해 상기 층(14)에 부착될 수 있다. 복합재는, 상위 표면(11) 또는 하위 표면(12) 혹은 양 표면을 형성하는, FEP로 된 적어도 하나의 층(16)을 더 포함할 수 있다.

도 3에 있어서, 시트의 주름 형성을 위해 사용되는 디바이스에 대한 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 도 3a는, 주름잡히지 않은 시트가 통과하는 치형부(35)를 갖는 2개의 대향 회전하는 주름 형성용 롤(30)을 포함하는 디바이스를 도시한 것이다. 상기 롤(30)들 사이의 거리는, 상기 시트가 어떠한 방식으로도 파손되지 않도록 또는 악영향을 받지 않도록 선택된다. 도 3b는 도 3a의 영역 A의 확대도를 도시한 것이다. 이 도면은 주름 형성용 롤의 치형부 구성에 대한 실시예를 도시한 것이다. 본 예에서의 주름 높이는 약 450 마이크로미터이며, 이러한 주름 높이는 주름 형성용 롤을 통과할 때 형성되는 주름의 높이를 결정한다. 상기 치형부의 단부는 시트의 파손을 방지하기 위해 라운딩(rounding)된다.

도 4는 주름잡힌 구조의 치밀화를 위한 가능한 실시예의 개략적인 도면을 나타낸 것이다. 도 4의 (a)에 있어서, 주름잡힌 구조(16)는 2개의 판 사이에, 예컨대 유리판들 사이에 삽입된다. 일례에 있어서, 상기 주름(18)은 상부판(42)과 하부판(44) 사이에서 실질적으로 수직하게 배치된다. 상부판(42)과 하부판(44) 사이의 거리는, 주름잡힌 구조(16)의 (최고 높이의) 주름의 높이에 근사하게 대응하도록 선택된다. 도 4의 (b) 및 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 대략적으로 상부판(42)과 하부판(44) 사이의 거리만큼의 두께를 갖는 강철 블레이드(46)가 주름잡힌 구조(16)의 단부에서 삽입되며, 상기 강철 블레이드들 중 적어도 하나에 압력이 인가되어, 상기 주름(18)은 치밀화되고, 형성된 주름의 표면들은 서로 접촉하게 된다. 일례에 있어서, 상기 블레이드는 약 400 마이크로미터의 두께를 갖는다.

도 5a 및 도 5b는, 본 발명에 따른 프로세스에 의해 획득 가능한 열 전도성 물품의 예를 도시한 것이다.

이러한 실시예에 있어서, 주름잡히고 치밀화된 구조(20)는 열적으로 이방성인 재료로 된 다수의 층으로 제조되는 시트(10)를 포함한다. 상기 주름(18)은 단지 주름의 제2 표면(12) 상에서만 접합되며, 상기 주름의 제1 외측 표면(11)은 접합되지 않고, 이에 따라 외부로의 열 전달을 위해 이용 가능하다. “냉각 리본”의 이러한 구조는 추가적인 강제 대류 열 손실을 발생시키며 표면적의 증가를 유발한다.

주름잡히고 치밀화된 구조(20)는 예컨대 열 전도성의 금속 스틱(32)의 외측 표면 주위와 같이 물체 주위에 배치된다. 상기 스틱에서의 열은 상기 구조(20)의 주름(18)에서 이동할 수 있으며, 시트(10)의 제1 표면(11)을 통해 주위 환경으로 이동하게 될 수 있다. 이러한 구성은 열 전도용 물품을 위한 냉각 리본 디바이스를 형성한다.

도 6은 본 발명에 따른 프로세스에 의해 획득 가능한, 부분 주름 형성 구조의 형태인 열 전도성 물품의 다른 예를 도시한 것이다. 본 예에 있어서, 열적으로 이방성인 재료로 된 다수의 층으로 제조된 시트가 사용된다. 주름 형성 및 치밀화 단계는 단지 시트의 일부에 대해서만 행해져 있다. 도 6에서 화살표로 표시한 바와 같이, 비-주름 섹션에서의 열의 주요한 전달은 주축에 대해 평행하며, 접혀있는 영역에서는 열 전달의 주된 방향이 90 도만큼 회전되어 있다.

열 전도도는 섭씨 40 도에서 열적 상수 분석기인 Hot Disk TPS 2500S를 이용하여 ISO 22007-2에 따라 측정된 것이다.

예

예 1

10 마이크로미터의 두께를 가지며 열적으로 이방성인 확장된 PTFE 박막이 다음의 절차에 따라 생산되었다.

미국 특허 제3,953,566호, 제3,962,153호 및 제4,064,214호에 개시된 절차에 따라, 다음의 방식으로 테이프가 준비된다. 미세 분말 PTFE 수지가 미네날 스피릿(mineral spirit)(22.6 중량% Isopar K™)과 혼합되어 페이스트(paste)를 형성하며, 두께가 0.980 mm인 습한 테이프를 형성하도록 다이를 통해 사출된다. 후속하여, 상기 습한 테이프는 롤 다운(roll down)되고, 1 내지 0.75의 비율로 신장되며, 이후 미네랄 스피릿을 제거하기 위해 섭씨 185 도에서 건조된다. 건조된 테이프는 0.415 밀리미터의 최종 두께를 나타내었다. 상기 테이프는 섭씨 350 도 내지 섭씨 370 도에서 핫 플레이트(hot plate) 위에서, 78:1의 총 신장 비율로 신장되었다. 신장 이후에, 테이프는 높은 온도에서 임의의 추가적인 처리를 거치지 않았다.

상기 테이프는 기계 방향으로 7.82 W/mK의 열 전도도를 나타내며, 횡방향으로 1.12 W/mk의 열 전도도를 나타내고, 평면에 수직인 방향으로 0.05 W/mk의 열 전도도를 나타낸다.

상기 테이프는 450 마이크로미터의 치형부 높이를 갖는 2개의 대향 회전하는 기어 휠을 이용하여 제1의 주름 형성 단계로 시작하여 본 발명의 프로세스를 거치게 되며, 약 450 마이크로미터의 대응하는 주름 높이를 갖는, 상기 테이프의 주름잡힌 구조가 획득된다.

상기 주름잡힌 구조는, 제2의 치밀화 단계 동안 2개의 판 사이에, 예컨대 유리판들 사이에 삽입된다. 상기 주름은 도 4에 도시된 바와 같은 프로세스에 따라 상부판과 하부판 사이에서 실질적으로 수직으로 배치된다. 상부판과 하부판 사이의 거리는, 주름잡힌 구조의 (최고 높이의) 주름의 높이에 근사하게 대응하도록 선택된다. 대략적으로 상부판과 하부판 사이의 거리만큼의 두께를 갖는 강철 블레이드가 주름잡힌 구조의 단부에서 삽입되며, 약 3 초 동안 손에 의해 상기 강철 블레이드들 중 적어도 하나에 압력이 인가되어, 상기 주름은 치밀화되고, 형성된 주름의 표면들은 서로 접촉하게 된다. 상기 블레이드는 약 400 마이크로미터의 두께를 갖는다.

열적 인터페이즈 왁스(KUNZE Folien GmbH의 Crayotherm^® KU-CR)의 도포 없이 전술한 프로세스를 한 번 행하였으며, 상기 열적 인터페이즈 왁스(KUNZE Folien GmbH의 Crayotherm^® KU-CR)의 도포와 함께 전술한 프로세스를 한 번 행하였다.

주름잡힌 박막은 도 7a 및 도 7b에서의 확대도에 도시되어 있다. 추가적인 열적 인터페이즈 왁스를 갖춘 경우와 추가적인 열적 인터페이즈 왁스를 갖추지 않은 경우, 주름에 대해 수직한 방향으로의 열 전도도와 관련된 결과가 표 1에 제시되어 있다.

예 2

40 마이크로미터의 두께를 가지며 열적으로 이방성인 확장된 PTFE 박막이 예 1에서 설명된 바와 같은 절차에 따라 제조되었다. 40 마이크로미터의 두께를 갖는 박막을 제조하기 위해, 건조한 테이프는 0.653 밀리미터의 최종 두께를 나타내었다. 상기 박막은 예 1에서 설명된 바와 같은, 본 발명의 주름 형성 및 치밀화 프로세스를 거치게 되며, 450 마이크로미터의 주름 높이를 갖는, 상기 박막의 주름잡힌 구조가 획득된다. 열적 인터페이즈 왁스의 도포 없이 전술한 프로세스를 한 번 행하였으며, 상기 열적 인터페이즈 왁스의 도포와 함께 전술한 프로세스를 한 번 행하였다.

주름잡힌 박막은 도 8a 및 도 8b에서의 확대도에 도시되어 있다. 추가적인 열적 인터페이즈 왁스를 갖춘 경우와 추가적인 열적 인터페이즈 왁스를 갖추지 않은 경우, 주름에 대해 수직한 방향으로의 열 전도도와 관련된 결과가 표 1에 제시되어 있다.

예 3( 비교예 )

40 마이크로미터의 두께를 가지며 열적으로 이방성인 확장된 PTFE 박막이 예 1에서의 절차에 따라 제조되었다. 40 마이크로미터의 두께를 갖는 박막을 제조하기 위해, 건조한 테이프는 0.653 밀리미터의 최종 두께를 나타내었다. 상기 박막의 8개의 층은 스택을 형성하면서 상하로 배치되었다. 상기 스택은 다소 압축되었으며 도 9에 도시되어 있다. 열적 인터페이즈 왁스의 도포 없이 상기 스택을 한 번 제조하였으며, 상기 열적 인터페이즈 왁스의 도포와 함께 상기 스택을 한 번 제조하였다.

박막 평면에 대해 수직한 방향으로의 열 전도도에 관한 결과가 표 1에 제시되어 있다.

예 4

64 마이크로미터의 두께를 갖고 고도로 배향된 UHMW 폴리에틸렌 박막(일본 소재의 ENDUMAX of Teijin Ltd로부터 상업적으로 입수 가능함)이 다음의 프로세스를 거쳤다.

1) 박막은 2 mm의 치형부 높이를 갖는 2개의 대향 회전을 이용하여 주름잡히게 되었다.

2) 브러시를 이용하여 Primer 94(독일 소재의 3M Deutschland GmbH로부터 상업적으로 입수 가능함)가 주름 선단부(pleat tip) 상에 도포되었으며, 이후 상기 프라이머는 용제의 제거를 위해 실온에서 3 시간 동안 건조되었다.

3) 주름잡힌 구조는 치밀화에 앞서 알루미늄으로 제조된 채널 구조 내에 배치되었다. 상기 채널 구조의 하부판은 폭이 80 mm이고, 상기 채널 구조의 측벽은 높이가 2 mm이다. 주름잡힌 구조를 상기 채널 구조 내에 배치한 이후에, 상기 채널을 폐쇄하기 위해 상기 채널 구조의 상부에 상부판이 배치되었다. 각각 약 2 mm의 두께를 갖는 2개의 판이, 주름잡힌 구조의 각각의 단부에 놓이게 되었으며, 손으로 압력을 이용하여 서로에 대해 눌리게 되었다. 재료를 더욱 더 치밀화하기 위해 손으로 망치를 이용하여 일측으로부터 추가적인 압력이 인가되었다. 이후, 상기 재료는 5 분 동안 섭씨 80 도에서 오븐에 배치되었다. 가열 단계의 종료 이후에 그리고 30 분의 냉각 구간 이후에, 상기 상부판이 제거되었으며, 치밀화된 주름잡힌 구조가 채널 구조로부터 제거되었다.

도 10은 주름잡히고 치밀화된 구조의 확대 단면도를 도시한 것이다.

	z-방향[시트(들)의 평면/주름에 대해 수직임]으로의 열 전도도
예 1
주름잡히지 않은 PTFE 박막	0.05 W/mK
열적 인터페이즈 왁스의 도포를 행하지 않은, 주름잡힌 PTFE 박막	4 W/mK
열적 인터페이즈 왁스의 도포를 행한, 주름잡힌 PTFE 박막	5.5 W/mK
예 2
주름잡히지 않은 PTFE 박막	0.05 W/mK
열적 인터페이즈 왁스의 도포를 행하지 않은, 주름잡힌 PTFE 박막	2 W/mK
열적 인터페이즈 왁스의 도포를 행한, 주름잡힌 PTFE 박막	7 W/mK
예 3( 비교예 )
열적 인터페이즈 왁스의 도포를 행하지 않은, PTFE 박막 스택	0.06 W/mK
열적 인터페이즈 왁스의 도포를 행한, PTFE 박막 스택	0.06 W/mK
예 4
주름잡히지 않은 PE 박막	0.093 W/mK
주름잡힌/치밀화된/접합된 PE 박막	>10 W/mK

[표 1 : 열적 물성]

본 출원에서의 발명은 구체적인 실시예와 관련하여 그리고 개략적으로 이상에 설명되었다. 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 상기 실시예에서 다양한 변형 및 변경이 행해질 수 있다는 것은 당업자에게 명확할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 속하는 한, 상기 실시예는 본 발명의 전술한 변형 및 변경을 포괄하려는 의도이다.

Claims

열 전도성 물품을 생산하기 위한 프로세스로서,
열적으로 이방성인 시트로 주름을 잡는 단계로서, 상기 시트는 일 평면에서의 열 전도도가 상기 평면에 대해 수직한 방향으로의 열 전도도보다 높은 것인 단계, 및
주름잡힌 구조를 치밀화(compact)하는 단계
를 포함하는 프로세스.
제1항에 있어서, 상기 주름잡힌 구조는 안정화되는 것인 프로세스.
제2항에 있어서, 상기 주름잡힌 구조의 안정화는, 상기 주름잡힌 구조의 표면 중 하나 이상의 표면에 박막을 접합시킴으로써 행해지는 것인 프로세스.
제3항에 있어서,
상기 주름잡힌 구조의 상위 표면 및/또는 하위 표면에 박막을 접합시키는 단계
를 포함하는 프로세스.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 시트는 열적 인터페이즈 왁스(thermal interphase wax)로 처리되는 것인 프로세스.
제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 시트의 두께에 대한 상기 주름의 높이는 1000:1 내지 2:1, 바람직하게는 500:1 내지 3:1, 가장 바람직하게는 100:1 내지 5:1인 것인 프로세스.
제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 시트는, 결과적으로 주름잡힌 구조에 다양한 높이를 갖는 주름이 존재하게 되도록 주름잡히게 되는 것인 프로세스.
제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 열적으로 이방성인 상기 시트의 두께는 1 내지 500 마이크로미터, 바람직하게는 2 내지 250 마이크로미터, 더욱 바람직하게는 5 내지 100 마이크로미터인 것인 프로세스.
제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 시트의 주름 형성은, 최대 열 전도도의 방향에 대해 수직하게 행해지는 것인 프로세스.
제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 시트는 열적으로 등방성인 전도성 재료로 된 층을 더 포함하는 것인 프로세스.
제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 열적으로 이방성인 상기 시트는 열적으로 이방성인 폴리머 층을 포함하는 것인 프로세스.
제11항에 있어서, 상기 폴리머 층은 폴리올레핀 또는 플루오로폴리머를 포함하거나 혹은 폴리올레핀 또는 플루오로폴리머로 이루어지는 것인 프로세스.
제12항에 있어서, 상기 폴리올레핀은 폴리에틸렌인 것인 프로세스.
제12항에 있어서, 상기 플로오로폴리머는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 변성 PTFE(modified PTFE), 플루오로써모플라스틱(fluorothermoplastic), 플루오로엘라스토머(fluoroelastomer), 또는 이들의 임의의 조합인 것인 프로세스.
제1항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 시트의 고유 열 전도도는 최대의 고유 열 전도도의 방향으로 0.5 W/mK 이상인 것인 프로세스.
제1항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 따른 프로세스에 의해 획득 가능한, 열 전도성 물품.
1 내지 500 마이크로미터의 두께를 갖는 시트를 포함하는 열 전도성 물품으로서, 상기 열 전도성 물품은 일 평면에 대해 수직한 방향으로의 열 전도도가 1 W/mK 이상인 것인 열 전도성 물품.
제16항 또는 제17항에 따른 열 전도성 물품의 용도로서, 디바이스의 생산을 위한 것인 용도.
제16항 또는 제17항에 따른 열 전도성 물품을 포함하는 디바이스.